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S7-400PLC在直流提升机电控中的设计及应用张水山王朝阳摘要：针对矿山常规继电器提升机电控装置存在的不足，介绍了一种基于S7-400PLC和S7-200PLC、PROFIBUS现场总线、6RA70直流装置构成的串联十二脉动全数字提升机控制系统。本文叙述了该电控系统的硬件配置、性能特点及软件设计方案。关键词：S7-400、PROFIBUS、6RA70、提升机引言随着计算机网络技术在工控领域的应用和大功率元器件的发展，基于西门子公司S7-400系列PLC和6RA70系列直流调速装置与PROFIBUS—DP现场总线的矿井提升机控制系统，成为解决矿井安全高效提升问题的有效途径。S7-400系列PLC是西门子公司的高端大型PLC，具有运算速度快、精度高、配置灵活、功能强大、组网方便等优点。6RA70系列直流调速装置为全数字直流驱动，可精确地满足各种应用要求，并以高可靠性和使用性在世界范围内的各个工业领域著称。PROFIBUS—DP现场总线是一种开放的、全数字化的、串行、双向传输、多分支结构的通信网络，专为自动控制系统和分散I／O设备之间通信设计。PROFIBUS—DP现场总线在矿山提升机电控系统中的成功应用，使得该系统更加可靠、简便、直观。1控制装置硬件设计及主要功能控制对象为湖北武钢金山店铁矿中央副井，该副井承担着该矿人员和材料提升，还要承担井下部分矿石提升任务。该矿副井井深为587m，共设9个水平中断，提升机采用2．8m多绳摩擦轮，罐笼方式，直流电动机驱动，电动机功率为630kW，正常提升时速为5m／s。提升特殊材料如炸药、雷管时，速度为3.5m／s，爬行距离为5m，爬行速度0．5m／s。控制监控系统建立在基于PROFIBUS—DP现场总线通讯网络之上，硬件结构图如图1：图1系统硬件配置图1.1电控系统设计理念1.1.1安全第一的设计思想涉及安全控制的双线制和多样化；2、符合GB/T17256电磁兼容性要求和完善的EMC控制手段；3、除实现《煤矿安全规程》和《冶金矿山安全技术规程》的所有保护外，又增加了一些必要的保护。1.1.2强大的控制功能完全符合矿井提升工艺的各种要求；2、同一台设备可适应单绳和多绳、多提升水平、双机驱动、斜井多定位等复杂的运行场合；3、现场增加控制功能方便，一般可在基本设备上完成；4、实现了许多其他形式电控不具备的控制功能。1.1.3极高的性价比在同等控制特性的情况下购置设备的资金投入最低；2、有效地减少日常停机检修时间；3、可达到相当高的提升效率。4、占地最少，节约基建投资。1.2电控系统的设计特点1.2.1真正的全数字化设备,使得整个系统的控制精确度很高、操作方便且故障率极低。1.2.2在PLC的高可靠性基础上，我们还设计了一套全方位的应急措施，即使PLC系统出现问题，只要传动部分正常，系统还可以应急运行，以使生产连续。1.2.3采用大容量具有正弦波输出特性的UPS不间断电源为控制回路供电。当发生突然停电后能够保证控制部分工作正常，特别是对于采用直流二级制动的系统，更有其特殊意义。1.2.4本系统采用完善的EMC设计，使得系统工作可靠性符合国家标准的要求。1.2.5本系统还设计了完善的防雷电措施，使得系统工作可靠性达到了更高的水平。1.2.6系统采用了PROFIBUS—DP现场总线技术，设备之间仅用一根屏蔽的双绞线连接，省去了大量接线，使得安装调试非常简单，使用维护容易。1.2.7该套系统设有多水平控制程序。无论有多少提升水平，都能按照预定的要求在相应水平减速、爬行、停车。用程序实现了按行程的速度给定，具有很好的线性和平滑度。1.2.8系统具有完整的自诊断程序，可以对系统设备异常状态进行及时准确的检测判断，并能通过显示屏直观地显示在使用者面前，改变了传统的人工检测方式。1.3主控PLC硬件设计系统PLC选型以通用性、标准性、可靠性为原则，主控PLC（即主控站）采用德国SIEMENSS7-400PLC（CPU412-1），站地址设为2，从站1（即监控站）也同样采用德国SIEMENSS7-400PLC（CPU412-1），站地址设为3。主控PLC和监控PLC全部选用UR2型机架，该机架上最多带8个输入、输出或功能模块。在该矿中央副井提升机控制系统中主控PLC使用了1个输人模块SM421和1个输出模块SM422，1个高速计数模块FM450-1，监控PLC使用了1个输出模块SM422，1个高速计数模块FM450-1，因此采用了2个机架，2个机架均装有PS407电源模块给PLC供电。主控系统PLC主要完成逻辑运算控制、安全回路保护、速度运算和监视、行程计算和保护等任务。主控台采用分体式结构，作为系统外围信号采集的主要地点，定义为系统的4号从站，该从站通过通讯接口模板IM153通讯接口与PROFIBUS—DP现场总线相连，在该扩展机架上安装有1个输人模块SM321、1个输出模块SM322、1个模拟量输人模块SM331和1个模拟量输出模块SM332，同时在机架上还安装有PS307电源模块给接口模块及数字量输入、输出及模拟量模块供电。车房信号柜主要是完成信号系统与主控台之间信号的接收及控制，为了系统设计更为合理，运行更加可靠，维护更加便捷，同时使车房信号显示更加清晰明了，在该信号柜内配备了一台SIEMENSS7—200PLC（CPU226）完成上述功能。各中断水平主要完成控制摇台、选择材料种类、提升方式、罐笼去向及向地面信号室发出各种召唤罐笼信号等任务，为了减轻主控PLC的控制任务，在每个中断信号台内都安装一台SIEMENSS7-200PLC（CPU224）完成上述功能，同时在台内还扩展一块EM277通讯模块。CPU224作为智能从站通过EM277挂接在PROFIBUS—DP总线上，该站作为S7-400PLC的从站，地址依次设定为5….13。所有的控制监控系统建立在基于PROFIBUS—DP现场总线通讯网络之上。网络配置图如下图2：图2DP网络配置图1.4全数字直流调速装置硬件设计传动部分采用西门子6RA70系列直流调速装置，磁场恒定、电枢换向逻辑无环流串联十二脉动方式，用于向主直流电动机的电枢和励磁供电，通过执行主控PLC下达的运行速度、加减速时间等各项指令，完成提升机的运行控制。6RA70系列直流调速装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于为直流电机电枢和励磁供电，装置额定电流范围为15至3000A。并可通过并联或串联方式进行功率扩展。装置本身带有参数设定单元，不需要其它的任何附加设备即可完成参数的设定。所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现。可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。1.5控制装置设计控制装置包括：安全控制回路、液压控制回路、润滑控制回路、二级制动控制、直流调速柜启停控制、主令方向控制、工作闸控制、提升机减速控制、应急开车控制回路以及应急信号控制回路等。它与PLC内部连锁共同组成多重保护。继电器回路和PLC回路既相互有机结合又保持相对独立，在一台PLC故障暂不能投人时，仍可在系统保证安全的条件下开车，如两台PLC全部损坏，也可在系统保证基本安全的情况下应急开车。同时信号系统如出现紧急情况，扳动应急信号开关，则应急信号投入使用。1.6控制装置基本功能1.6.1矿井提升系统主要工作过程为：绞车工在看到开车信号以后，推工作闸和主令，主PLC控制系统判断绞车运行方向后使绞车运行，自动实现提升机开车、加速、等速、减速、爬行、停车的全过程。同时主控PLC和监控PLC监视提升机在运行过程中的各种情况，发现严重故障时自动采取对策紧急停车。轴编码器作为提升系统的行程和速度的测量器件，具有很高的测量精度，在提升机的高速轴和低速轴上各安装一个轴编码器进行同步测量，其脉冲信号进入FM450-1高速计数模块内计数，PLC则对计数结果进行计算，然后进行实时控制，完成提升位置、速度计算控制及显示功能。如果2个轴编码器计数值不一致，当其误差达到一定值时，说明钢丝绳打滑，PLC将发出报警信号同时安全回路掉电，紧急停车。1.6.2直流调速柜实现六脉动和十二脉动的工作过程：当系统在运行过程中两台直流模块出现一台损坏，则通过切换柜内的切换刀闸切换即可实现六脉动和串联十二脉动的切换。2控制装置软件设计S7-400PLC采用西门子公司STEP7软件编程。STEP7将用户程序指令存放在“块”中，本控制系统主要有4类用户程序：功能FC（Function）、功能块FB（Functionblock）、组织块OB（Organizationblock）和数据块DB（Dateblock），其中FB和FC作为OB的子程序。主循环模块OB1中存放所有用户程序以待执行，也可以将用户程序存放入不同的功能模块中，只在OB1中调用，需要时才执行。PLC的CPU中的操作系统在系统启动后将连续循环扫描执行OB1，实现对现场设备的控制。本系统使用了多个OB组织块（OB35、OB100、OB122、OB125）。OB100为加电启动组织块，在该组织块中编制有关系统参数初始化的程序。该组织块仅在系统加电起动后运行一次。0B35为中断组织块，它的主要功能是产生时间中断，本系统时间中断时间设为20ms。OB1为循环运行组织块，即用户主程序部分，提升系统PLC主程序流程框图如图3所示。图3PLC主程序流程图2.1行程校正控制在提升过程中，利用FM450-1高速计数模块对装在高速轴或低速轴上的脉冲编码器的脉冲计数，计算出提升位置值、速度值和加减速点位置值。但在提升过程中，由于钢丝绳的蠕动、打滑和导向滚筒衬垫的磨损等因素会对脉冲编码器计数结果产生偏差，导致运行位置计算误差，影响系统安全运行。解决办法是利用地面停车井筒接近开关校正，提升罐笼在每次向上运行至停车位时遇到该开关，将该井筒开关所在位置的标准脉冲计数值写入PLC中，减少编码器因某种原因造成的计数误差对提升状态的影响。2.2速度曲线监控功能一旦系统运行方式、提升机提升种类、绞车去向等的确定，PLC将按设计好的速度运行曲线输出命令，而6RA70全数字直流装置依指令执行，提升运行速度曲线如图4。图4提升运行速度图图4提升运行速度图，PLC根据脉冲轴编码器的脉冲计数信号，即可确定提升机所处的位置并计算出此时的运行速度。绞车运行到等速阶段，当绞车实际速度超出给定速度15％的时候，控制系统自动报警并实行安全制动。绞车运行到减速阶段，当绞车实际运行速度超出给定速度的10%的时候，控制系统自动报警并实行安全制动，同时当绞车运行到接近井口的位置时，如绞车实际运行速度大于2米/秒时，则控制系统自动报警并实行安全制动。这种连续速度包络线监测使提升机在提升全过程处于安全运行状态。2.3控制装置自动准确停车控制多水平矿山经常碰到这样的情况，为了准确停车，司机反复上下调罐，既费时又费事，大大影响提升效率。罐笼准确停车是衡量矿井提升控制系统性能优劣的主要指标之一。本系统较好地解决了这个问题，其原理是利用脉冲编码器的行程控制功能实现。在实现停车控制时以PLC中“软”停车点为主，而且故意将这个“软”停车点脉冲数比标准停车脉冲数增加一定数值，罐笼接近某中段停车位时，罐笼以低速爬行到达停车位，此时井筒开关动作，罐笼在低速爬行过程中准确停车，误差几乎为零，完全满足矿山提升要求。3上位机组态设计上位机选用研华工控计算机，并配打印机。组态软件选用SIEMENS公司WinCC6．2SCADA组态软件。PC机中安装CP5611通讯板与S7-400PLC上DP接口通过DP通讯电缆完成上位机与主控PLC的数据交换。上位监控系统分为系统运行前的监视（预备态）、运行监视（运行态）、故障态、报表打印、故障记忆等5个基本模块组态构成。每个模块下有若干子模块组成。可实现对提升系统容器位置、运行速度、液压站、润滑站、电机、调速装置、各水平安全门、摇台等信号工作状态进行监控。同时还具有事故报警、人员提升次数、矿石提升产量计量等报表统计功能。对提高矿井提升系统安全可靠性和提高矿山生产效率，起着重要的作用。4结束语湖北武钢金山店铁矿中央副井直流提升机电